1 Działalność Naukowa Zakładu Fizyki Ogólnej Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego (1970 – 2002) A. Kisiel, B. Pukowska i M. Zimnal-Starnawska Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński 1. Wprowadzenie Odbudowanie fizyki doświadczalnej w Uniwersytecie Jagiellońskim po zniszczeniach II wojny światowej było priorytetem prof. Henryka Niewodniczańskiego, który po objęciu w roku 1946 II Katedry Fizyki Doświadczalnej zorganizował i istotnie ożywił działalność naukową 1 . W wyniku tego działania jako dyrektor Instytutu Fizyki UJ i Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie rozbudował i znacznie wzbogacił bazę naukową obydwu Instytutów. Ożywienie działalności naukowej objęło również intensywne kształcenie młodych współpracowników. Do początku lat Fig. 1 Prof. H. Niewodniczański po promocji doktorskiej swoich uczniów w kwietniu 1961 roku. . Od lewej stoją K. Grotowski, J. Hennel, A. Strzałkowski, S.Ogaza, J. Pietruszka Prof. H. Niewodniczański, A. Wanic, Z. Leś, F. Leś, i A. Kisiel 1 A. Strzałkowski i B. Średniawa, Historia Fizyki w Uniwersytecie Jagiellońskim, w książce Uniwersytet Jagielloński, Złota KsięgaWydziału Matematyki i Fizyki, red. B. Szafirski, Kraków 2000.
45
Embed
Działalność Naukowa Zakładu Fizyki Ogólnej Instytutu ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Działalność Naukowa Zakładu Fizyki Ogólnej Instytutu Fizyki
Uniwersytetu Jagiellońskiego
(1970 – 2002)
A. Kisiel, B. Pukowska i M. Zimnal-Starnawska
Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński
1. Wprowadzenie
Odbudowanie fizyki doświadczalnej w Uniwersytecie Jagiellońskim po zniszczeniach
II wojny światowej było priorytetem prof. Henryka Niewodniczańskiego, który po objęciu w roku
1946 II Katedry Fizyki Doświadczalnej zorganizował i istotnie ożywił działalność naukową1.
W wyniku tego działania jako dyrektor Instytutu Fizyki UJ i Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie
rozbudował i znacznie wzbogacił bazę naukową obydwu Instytutów. Ożywienie działalności
naukowej objęło również intensywne kształcenie młodych współpracowników. Do początku lat
Fig. 1 Prof. H. Niewodniczański po promocji doktorskiej swoich uczniów w kwietniu 1961 roku. .
Od lewej stoją K. Grotowski, J. Hennel, A. Strzałkowski, S.Ogaza, J. Pietruszka Prof. H. Niewodniczański, A. Wanic, Z. Leś, F. Leś, i A. Kisiel
1 A. Strzałkowski i B. Średniawa, Historia Fizyki w Uniwersytecie Jagiellońskim, w książce Uniwersytet
Jagielloński, Złota KsięgaWydziału Matematyki i Fizyki, red. B. Szafirski, Kraków 2000.
2
sześćdziesiątych ubiegłego wieku prof. H. Niewodniczański wypromował kilkunastu doktorów.
Uroczysta promocja doktorska dziewięciu z nich odbyła się w Collegium Novum UJ 28 kwietnia
1961 roku. Wszyscy widoczni na zdjęciu (Fig. 1) uczniowie prof. H. Niewodniczańskiego kierowali
w przyszłości zespołami naukowymi i próbowali realizować ambitne plany swojego Mistrza. Troje
z nich Zofia Leś, Franciszek Leś i Andrzej Kisiel związało swój los naukowy z Zakładem Fizyki
Ogólnej Instytutu Fizyki UJ.
Zakład Fizyki Ogólnej (ZFO) Instytutu Fizyki UJ powstał w roku 1970 z utworzonego
w roku 1966 Zakładu Spektroskopii Wysokiej Zdolności Rozdzielczej (ZSWZR). Zakład ten był
częścią Katedry Fizyki Doświadczalnej kierowanej przez zmarłego w roku 1968 prof. Henryka
Niewodniczańskiego. Przekształcenie ZSWZR w ZFO było rezultatem zmian struktury
organizacyjnej UJ (Zarządzenie Ministra Oświaty i Szkolnictwa Wyższego z dnia 18.02.1970).
Z dniem 1-go listopada 1970 roku J.M. Rektor UJ powołał na stanowisko kierownika
Zakładu Fizyki Ogólnej doc. dr Franciszka Lesia, dotychczasowego kierownika ZSWZR. Po jego
wyjeździe na stałe do USA w roku 1971 dyrekcja Instytutu Fizyki powierzyła dr Zofii Leś czasowe
pełnienie obowiązków kierownika ZFO. Z dniem 1-go października 1973 na stanowisko kierownika
ZFO został powołany, z rekomendacji dotychczasowego opiekuna Zakładu, dr hab. Andrzej Kisiel,
który był kierownikiem utworzonej przez niego w Katedrze Fizyki Doświadczalnej w roku 1965
Pracowni Spektroskopii Optycznej Półprzewodników (PSOP). W wyniku tej nominacji w ZFO
rozpoczęły działalność dwie pracownie naukowe - PSOP i Pracownia Spektroskopii
Interferencyjnej (PSI). Ze względu na dość odległe tematycznie zainteresowania naukowe PSI
(spektroskopia atomowa) i włączonej do ZFO PSOP (spektroskopia optyczna ciała stałego),
w zreorganizowanym Zakładzie obydwie grupy pozostały niezależnymi pracowniami, z dotychczas
rozwijanymi programami naukowymi. Sprawy organizacyjne związane z funkcjonowaniem obydwu
pracowni badawczych leżały w rękach nowo mianowanego kierownika Zakładu. Zgodnie
z wewnętrznym porozumieniem, PSI kontynuowała badania wpływu jąder atomowych na strukturę
powłok elektronowych atomów przy użyciu spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej, a PSOP
rozwijała program zapoczątkowany w ZFD w roku 1965, który dotyczył badania struktury
elektronowej pasm walencyjnego i przewodnictwa polikrystalicznych cienkich warstw
i monokryształów związków półprzewodnikowych przy użyciu analizy widm współczynników
pochłaniania i odbicia światła w szerokim zakresie energii padającego promieniowania.
ZFO w roku 1973 liczył łącznie 13 pracowników. Do PSI należało czterech nauczycieli
akademickich w tym dwu adiunktów dr Zofia Leś i dr Jan Szczeklik oraz dwie asystentki mgr
Romualda Szewczyk (Kloch) i mgr Maria Kopf (Soszka). Do tej Pracowni należało jeszcze czworo
wysoko wykwalifikowanych pracowników technicznych w składzie: mgr wychowania fizycznego
3
Jerzy Dymek – doskonały szklarz dmuchacz, Piotr Klocek - szlifierz bardzo gładkich powierzchni
szklanych i kwarcowych oraz mgr fizyki Jerzy Olejniczak i mgr chemii Krystyna Stankiewicz,
wyspecjalizowani w technice próżniowego naparowywania warstw metalowych i dielektrycznych.
PSOP tworzyli kierownik Pracowni i równocześnie kierownik Zakładu, adiunkt dr hab. Andrzej
Kisiel, trzy asystentki: mgr Jolanta Dydecka, mgr Barbara Pukowska i mgr Marta Zimnal
(Starnawska) oraz technik elektronik Romuald Samson. Ze względu na zaakceptowaną przez
kierowników obydwu pracowni naukowych strukturę organizacyjną ZFO, wydaje się naturalne
rozdzielne przedstawienie działalności naukowej tych pracowni. Programy badań i streszczenia
najważniejszych osiągnięć do roku 1983 dla PSI i PSOP zostały zaprezentowane we wcześniej
opublikowanych artykułach w czasopiśmie Optica Applicata [84,92].
2. Działalność naukowa Pracowni Spektroskopii Interferencyjnej (PSI)
Członkowie Pracowni Spektroskopii Interferencyjnej (PSI) ZFO , z wyjątkiem M. Soszki
i J. Szczeklika, kontynuowali rozpoczęte jeszcze w latach sześćdziesiątych w Zakładzie
Spektroskopii Wysokiej Zdolności Rozdzielczej badania struktury nadsubtelnej atomów
swobodnych, pochodzącej z oddziaływania magnetycznych dipolowych i elektrycznych
kwadrupolowych momentów jąder atomowych z polami generowanymi przez elektrony powłok
atomowych, oraz izotopowego przesunięcia energii stanów elektronowych związanego z masą
izotopową (efekt masowy) i rozkładem ładunku jądra (efekt polowy).
W roku 1974 Maria Soszka, obroniła rozprawę doktorską zatytułowaną Określenie
parametrów plazmy powstającej przy elektrycznej implozji przewodników. Jej rozprawa doktorska
była częścią programu badania źródeł promieniowania widm liniowych wysoko zjonizowanych
atomów, rozwijanego w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie przez dr Jerzego Pietruszkę i mgr
Krzysztofa Melzackiego. M. Soszka była pierwszym doktorem wypromowanym w ZFO.
W zakresie badań struktury nadsubtelnej atomów swobodnych członkowie PSI
opublikowali po utworzeniu ZFO w roku 1970 kilka prac dotyczących efektu izotopowego
w atomach zjonizowanego cynku [2, 61] i specyficznego przesunięcia masowego w atomowym licie
i borze[11, 50]. W roku 1979 R. Kloch odbyła roczny staż naukowy w Clarendon Laboratory
Uniwersytetu Oxfordzkiego u dr D.N. Stacey’a, gdzie przeprowadziła badania udziału rozkładu
ładunku jąder w efektach izotopowych atomowego widma cynku. Wynikiem tej współpracy były
publikacje [68, 69], dysertacja doktorska R. Kloch, i po jej powrocie ze stażu w Wielkiej Brytanii
zbudowanie w ZFO, zastrzeżonego patentem, ciśnieniowo sterowanego interferometru Fabry’ego-
Perota [52]. Wspólna publikacja R. Kloch z grupą z Clarendon Laboratory, dotycząca przesunięć
4
Fig.1 Promocja doktorska M. Soszki. Dyplom doktorski wręcza promotor
dr hab. A. Kisiel w obecności prorektora prof. Sylwestra Wójcika
izotopowych w Cd I [123], która ukazała się w roku 1987, zakończyła cykl prac poświęconych
strukturze nadsubtelnej atomów swobodnych. Równolegle z badaniami struktury nadsubtelnej widm
atomowych zainteresowanie Z. Leś było skierowane na teoretyczne projektowanie własności
optycznych wielowarstwowych, półprzeźroczystych, dielektrycznych pokryć, zwierciadeł i filtrów
optycznych oraz doświadczalną realizację tych teoretycznych przewidywań. Zaprojektowane
teoretycznie i wykonane doświadczalnie wielowarstwowe, półprzeźroczyste zwierciadła i filtry
optyczne znajdowały zastosowanie w interferencyjnej spektroskopii optycznej oraz technice
laserowej, rozwijającej się nadzwyczaj dynamicznie w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku.
W ramach tej tematyki w roku 1977 Z. Leś opublikowała w języku angielskim rozprawę
habilitacyjną [15] i uzyskała stopień naukowy dr habilitowanego. Następnie opublikowała
samodzielnie [52] oraz razem ze współpracownikami J. Kurosiem [19, 36, 83] i magistrantką
A. Kozioł kolejne publikacje dotyczące absorpcji dielektrycznych cienkowarstwowych pokryć
zwierciadeł oraz teoretycznego konstruowania półprzeźroczystych, szerokopasmowych filtrów
dielektrycznych.
Przez cały okres badań struktury nadsubtelnej atomów oraz projektowania
i otrzymywania półprzeźroczystych filtrów i zwierciadeł dielektrycznych, w pracach brali czynny
udział wspomniani powyżej pracownicy techniczni PSI. Wykonywali oni niezbędne w tych
badaniach dmuchane w szkle i kwarcu bardzo wyspecjalizowane źródła światła z katodą wnękową
oraz szklane i kwarcowe płytki interferencyjne Fabry’ego-Perota o bardzo gładkich powierzchniach,
stanowiących podstawę urządzeń do spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej. Doskonalili
również urządzenia do próżniowego naparowywania wielowarstwowych, półprzeźroczystych
5
zwierciadeł i filtrów dielektrycznych z automatycznym pomiarem i regulacją grubości
naparowywanych warstw. PSI posiadała naparowywarki służące do próżniowego naparowywania
płytek interferencyjnych Fabry’ego-Perota oraz innych gładkich podkładów szklanych
i kwarcowych bardzo cienkimi warstwami metali i dielektryków o ściśle określonych grubościach.
Pomiar optycznych grubości cienkich warstw dielektrycznych w trakcie naparowywania został
opatentowany [210]. Posiadany bardzo wyspecjalizowany warsztat badawczy i możliwości
techniczne zostały wykorzystane w późniejszych pracach Z. Leś, wykonywanych wspólnie
z L. Jankowiakiem, które dotyczyły również doświadczalnej syntezy zaprojektowanych teoretycznie
wielowarstwowych, szerokopasmowych i półprzeźroczystych zwierciadeł dielektrycznych
[129,161,179].
W PSI z początkiem lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia J. Szczeklik zbudował
i uruchomił jeden z pierwszych w Polsce laserów helowo-neonowych, co w tym czasie było
znaczącym osiągnięciem naukowym. Zbudowane lasery były wykorzystywane do interferencyjnych
pomiarów mikrochropowatości bardzo gładkich powierzchni [58]. J. Szczeklik uczestniczył również
w badaniach własności elektrycznych cienkich warstw metal-izolator-metal [59]. Z. Leś
opublikowała artykuł przeglądowy dotyczący własności promieniowania laserowego [3] oraz
wspólnie z R. Szewczyk (Kloch) artykuł o możliwościach zastosowania laserów w dydaktyce [10].
Należąca do PSI Maria Soszka w połowie lat osiemdziesiątych ubiegłego stulecia podjęła
współpracę z Zakładem Fizyki Ciała Stałego IF UJ w zakresie badania emisji jonowo-elektronowej
z gorących i zimnych powierzchni metalicznych bombardowanych jonami i była współautorem
czterech publikacji [120,130,148,162].
Za działalność badawczą i dydaktyczną w ZFO Z. Leś została kilkakrotnie odznaczona2.
Była również nagradzana indywidualnymi i zespołowymi Nagrodami Ministra Szkolnictwa
Wyższego i Techniki3 oraz nagrodami J.M. Rektora UJ.
W roku 1992, po przejściu na emeryturę Z. Leś, działalność naukowa PSI wygasła,
a członkowie PSI weszli w skład PSOP lub opuścili ZFO. Szklarz dmuchacz Jerzy Dymek przeniósł
się do Zakładu Optyki Atomowej, a pracownia szlifierska Piotra Klocka została przekształcona
w pracownię pracującą na potrzeby całego Instytutu Fizyki.
2 Złotym Krzyżem Zasługi (1975) i Krzyżem Kawalerskim Orderu Odrodzenia Polski (1983) 3Indywidualną nagrodą trzeciego stopnia za podręcznik akademicki „Wstęp do spektroskop atomowej” (1970),
indywidualną nagrodą trzeciego stopnia za rozprawę habilitacyjną i zespołową nagrodą trzeciego stopnia wspólnie z
Januszem Kurasiem i Anną Kozioł (1978)
6
3. Działalność naukowa Pracowni Spektroskopii Optycznej Półprzewodników (PSOP)
Po włączeniu w roku 1973 Pracowni Spektroskopii Optycznej Półprzewodników ZFD do
ZFO były w niej kontynuowane wcześniej podjęte badania współczynników odbicia i absorpcji
półprzewodników w bardzo szerokim zakresie energii promieniowania od bliskiej podczerwieni,
poprzez obszar widzialny aż do zakresu dalekiego nadfioletu. Ten ostatni przedział energii
promieniowania, potocznie nazywany zakresem próżniowego nadfioletu, ze względu na silne
pochłanianie promieniowania w powietrzu, wymagał stosowania do badań spektrografów
próżniowych oraz kilku źródeł światła emitujących promieniowanie w wąskich obszarach
próżniowego nadfioletu.
Eksperymentalna działalność badawcza PSOP rozpoczęła się w roku 1965 od próby
przystosowywania do badań w spektroskopii optycznej półprzewodników, używanego w badaniach
widm liniowych4, próżniowego spektrografu z pryzmatem i soczewkami z krystalicznego fluorytu.
Spektrograf ten został zakupiony w Niemczech przez prof. H. Niewodniczańskiego w roku 1946 za
środki otrzymane w ramach rekompensaty za mienie zrabowane w czasie II wojny światowej.
Odpowiednie przystosowanie tego spektrografu do badań optycznych półprzewodników napotkało
jednakże na szereg poważnych trudności technicznych, które ostatecznie przesądziły o rezygnacji
z adaptacji spektrografu fluorytowego do dalszych badań i o konieczności podjęcia starań o zakup
odpowiedniego monochromatora na obszar próżniowego nadfioletu. Równocześnie z pracami nad
adaptacją spektrografu był budowany jednowiązkowy odbiciomierz fotoelektryczny na obszar
widzialny i bliskiego nadfioletu (od 6000 do 2000A co odpowiada energii promieniowania od ok.
1,8 – 6 eV). Uruchomiony odbiciomierz działał w systemie „wiązki białej”, tzn. że skupiona na
próbce „biała” wiązka światła ze źródła po odbiciu od próbki była skupiana na szczelinie
wejściowej monochromatora analizującego rozkład widmowy wiązki. Natężenie wiązki było
mierzone przez fotopowielacz umieszczony na szczelinie wyjściowej monochromatora
i rejestrowane po wzmocnieniu przez fazoczuły elektroniczny układ detekcyjny. Przy użyciu tego
układu pomiarowego zostały uzyskane i opublikowane w roku 1969 pierwsze wyniki badawcze
dotyczące analizy widm odbicia światła dla kilku monokrystalicznych potrójnych związków
półprzewodnikowych CdHgTe, wytworzonych w laboratorium technologicznym Instytutu Fizyki
4 A.Kisiel, Intensity Ratios in Doublets of the Fine Structure in the A1 III and Si IV Spectra, Acta Phys. Polon.,
23, 167 ( 1963).
7
Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego5. Przy użyciu tego odbiciomierza fotoelektrycznego
zostały przeprowadzone również dalsze badania struktury elektronowej monokrystalicznych
roztworów stałych CdxHg1-xTe i ZnxCd1-xTe.6 Uciążliwa technicznie obróbka danych pomiarowych
w używanym odbiciomierzu jednowiązkowym została następnie zastąpiona przez układ
automatycznej fazoczułej rejestracji danych [7], który podwyższał dokładność pomiarów i szybkość
rejestracji rezultatów doświadczalnych.
Fig.2 Profesorowie Witold Giriat i Andrzej Kisiel na Międzynarodowej Szkole Fizyki Półprzewodników w Jaszowcu
Fundamentalne odbicie światła półprzewodników jest niezwykle czułe na jakość badanych
monokryształów i stan powierzchni odbijającej, w związku z tym bez dobrych, wszechstronnie
atestowanych materiałów półprzewodnikowych dostarczonych przez renomowane pracownie
technologiczne nie można było myśleć o wiarygodnych badaniach. Ze względu na bardzo wysokie
koszty uruchomienia technologii wytwarzania dobrej jakości atestowanych monokryształów
i cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych potrzebnych do badań, została nawiązana przez
PSOP nieformalna, obopólnie korzystna współpraca z kilkoma krajowymi i zagranicznymi
5 R.R. Gałązka, A. Kisiel, Fundamental Reflectivity Spectra of CdxHg1-xTe Crystals from 1.5 – 4 eV , phys. stat.
solidi, 34, 63 (1969) 6 A.Kisiel, Fundamental Reflectivity Spectra of Zn x Cd(1-x) Te Crystals in the 2.5 - 4.5 eV Energy Range at Room
and Liquid Nitrogen Temperature, Acta Phys. Polon . 38 A, 691, (1970),
A. Kisiel, Reflectivity of Light for of CdxHg1-xTe Single Crystals i the 1.5 to 3.0 eV Energy Range at Room and
Liquid Nitrogen Temperature, Acta Phys. Polon .39 A ,245 (1971). Publikacje te stanowiły wkład do rozprawy
habilitacyjnej A. Kisiela
A. Kisiel Widmo odbicia światła dla niektórych półprzewodników grupy II- IV i ich roztworów stałych w
zakresie energii 1.7 - 4.5 eV , Raport Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie Nr 745/PS,1971 (rozprawa
habilitacyjna cz. I).
A. Kisiel, Widmo odbicia światła dla niektórych półpzewodników grup II - IV i ich roztworów stałych w
zakresie energii 1.7-4.5 eV, część II , Raport Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie Nr 768/PS,1971. (rozprawa
habilitacyjna cz. II)
8
laboratoriami technologicznymi. PSOP współpracowała z laboratoriami technologicznymi Instytutu
Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego (prof. R.R. Gałązka, W. Giriat)), Instytutu
Fizyki PAN w Warszawie (prof. W. Giriat i A. Mycielski), Instytutu Tele-Radiotechnicznego
w Warszawie (doc. S. Ignatowicz), Instytutu Fizyki Politechniki Wrocławskiej
(prof. J. Pawlikowski), Zakładu Fizyki PAN w Zabrzu (doc. L. Żdanowicz) i Instytutu Fizyki
Technicznej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie (prof. J. Żmija i M. Demianiuk),
a także z dr R.D. Tomlinsonem z Departamentu Inżynierii Elektrycznej i Elektroniki (Department of
Electronic and Electrical Engineering) Uniwersytetu w Salfort (Wielka Brytania),
prof. J.K. Viscacasem z Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Wilnie i prof. W.J. Potykiewiczem
z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Kijowskiego. Przez wiele lat kontynuowano również współpracę
z prof. W. Giriatem po jego emigracji do Wenezueli, gdzie w Instituto Venezolano de Ivestigationes
Cientificas, Centro de Fisica (IVIC) w Caracas wytwarzał również bardzo wysokiej jakości
monokrystaliczne związki typu II III2 VI4 (np. CdIn2S4, ZnIn2S4, ZnGa2Se4, CdGa2S4) i I III VI2 (np.
CuInS2) analizowane pod kątem zastosowań fotowoltaicznych oraz monokrystaliczne potrójne
roztwory stałe związków półprzewodnikowych grupy II-VI z metalami przejściowymi.
Fig. 3 Obrady Międzynarodowej Konferencji Cienkich Warstw w Budapeszcie. W pierwszym rzędzie trzeci od lewej prof. J.K. Viscacas, w drugim rzędzie trzeci od lewej prof. A. Kisiel, obok doc. S. Ignatowicza. Na drugim zdjęciu drugi od prawej Prof. J. Żmija w czasie
przerwy w obradach.
Po włączeniu PSOP ZFD do ZFO były kontynuowane wcześniej prowadzone przez Martę
Zimnal i Barbarę Pukowską badania fundamentalnego odbicia dla cienkich warstw ZnTe i CdHgTe
[6,8,9,16,17,21,22,40] oraz cienkich warstw Zn2As3 [5,12]. M.Podgórny i A. Rodzik prowadzili
badania fundamentalnego odbicia światła w funkcji składu i temperatury monokryształów
roztworów stałych CdHgTe [13,14,18] a K. Karnicka –Mościcka dla cienkich warstw Cd3As2
[23,33,71,72,77].
Istotnym czynnikiem działalności naukowej PSOP ZFD a następnie PSOP ZFO była
współpraca naukowa rozwijana z Włochami, Republiką Federalną Niemiec, Wielką Brytanią,
9
Szwecją i ZSSR. Szczególnie ścisła i długotrwała współpraca PSOP ułożyła się z Instytutem
Fizyki, a następnie Departamentem Fizyki Wydziału Inżynierii Uniwersytetu Rzymskiego I „La
Sapienza” i z Laboratorium Narodowym we Frascati (Laboratori Nazionali di Frascati (LNF))
przynależącym do Instytutu Narodowego Fizyki Jądrowej (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
(INFN)). Ponadto przez szereg lat trwała współpraca z Departamentem Fizyki Uniwersytetu
w Trento (od 1986 roku) i z Instytutem Fizyki Uniwersytetu Rzymskiego II „Tor Vergata”
(formalnie potwierdzona umową współpraca od 1993 roku). Na przełomie roku 1970 i 1971
ubiegłego stulecia, A. Kisiel, jako stypendysta Rządu Republiki Włoch, odbył półroczny staż
w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Rzymskiego „La Sapienza” w grupie teoretycznej prof. Franco
Bassaniego, wybitnego w skali światowej specjalisty w zakresie obliczeń teoretycznych struktury
elektronowej krystalicznych ciał stałych. W czasie tego pobytu powstała publikacja, przygotowana
wspólnie z drugim stypendystą dr Peterem M. Lee z Uniwersytetu w Lancaster, dotycząca
teoretycznego opisu istotnej roli poprawek relatywistycznych przy powstawaniu przejścia od prostej
do odwróconej przerwy wzbronionej wstrukturze elektronowej potrójnych związków Cd1-xHgxTe7.
W czasie tego
Fig. 4 Międzynarodowa Szkoła Fizyki Półprzewodników w Jaszowcu. Odpoczynek na spacerze po
męczących obradach. Od lewej B. Oleś, E. Czarnecka-Such, na zdjęciu obok B. Pukowska i M. Zimnal-Starnawska
stażu prof. F. Bassani zaproponował by ówcześnie wartościowe i aktualne naukowo,
eksperymentalne badania fundamentalnego odbicia półprzewodników w zakresie energii 1,8 – 6
7 Opublikowana w artykułach A. Kisiel and P.M. Lee, Relativistic Effects on Energies of Optical Transitions in
CdxHg1-xTe Alloys, , J. Phys. F (1972 ) oraz A. Kisiel, Widmo odbicia światła dla niektórych półprzewodników
grup II - IV i ich roztworów stałych w zakresie energii 1.7-4.5 eV, , Raport Instytutu Fizyki Jądrowej
w Krakowie Nr 768/PS,1971; część II rozprawy habilitacyjnej.
10
eV, prowadzone w PSOP ZFD w Krakowie, rozszerzyć na zakres próżniowego nadfioletu 10 –
200 eV z użyciem promieniowania synchrotronowego z 1,1 GeV synchrotronu usytuowanego
w INFN w Frascati. Wspólne badania odbicia światła półprzewodników miały być prowadzone we
współpracy z kierowaną przez prof. F. Bassaniego grupą Solidi Roma8 posiadającą bezpośredni
dostęp do wykorzystującej promieniowanie synchrotronowe optycznej linii pomiarowej w Frascati.
Fig. 5 Prof. G.F. Bassani główny inicjator
współpracy włosko-polskiej z IF UJ
Po miesięcznej wizycie A. Kisiela w Rzymie w roku 1972 i rewizytach w ciągu roku 1973
w Krakowie profesorów F. Bassaniego i G. Chiarottiego oraz dr A. Balzarottiego został
sformułowany wspólny plan badań dotyczący analizy własności optycznych różnych związków
półprzewodnikowych z użyciem promieniowania synchrotronowego. Plan ten udokumentowany
w korespondencji przewidywał następujący podział zadań:
ze strony polskiej: a) proponowanie tematyki z zakresu badania struktury elektronowej
związków półprzewodnikowych, b) dostarczanie we współpracy z Instytutem Fizyki PAN
w Warszawie wysokiej jakości monokrystalicznych związków półprzewodnikowych, c)
prowadzenie komplementarnych badań współczynników odbicia i pochłaniania światła w zakresie
energii promieniowania od 1,5 do 10,0 eV9, oraz d) częściowe wsparcie teoretycznymi
obliczeniami struktury elektronowej związków półprzewodnikowych;
8 W skład grupy Solidi Roma wchodzili ze strony Instytutu Fizyki Uniwersytetu Rzymskiego la Sapienza: F.
Bassani, A. Bianconi, G. Chiarotti, i M.Piacentini, a ze strony Naczelnego Instytutu Zdrowia (Istituto Superiore
di Sanita) E. Burattini, G. Grandolfo 9 badania w nadfiolecie próżniowym 6 -10 eV miały być zrealizowane w Krakowie po zakupie przez ZFO 1-
metrowego próżniowego monochromatora siatkowego firmy Hilger &Watts i po zbudowaniu odbiciomierza
fotoelektrycznego z odpowiednimi wodorowymi i helowymi źródłami światła.
11
ze strony włoskiej: a) współpracę w ramach grupy Solidi Roma przez udostępnienie polskim
współpracownikom czasu pracy na próżniowym spektrometrze wykorzystującym jako źródło
światła promieniowanie synchrotronu elektronowego w Frascati w zakresie energii światła od 10 do
300 eV oraz b) współpracę w zakresie obliczeń teoretycznych struktury elektronowej związków
półprzewodnikowych.
Opracowany przez PSOP ZFO i grupę Solidi Roma szczegółowy program badań w zakresie
spektroskopii optycznej ciała stałego z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego był
pierwszą tego typu inicjatywą w Polsce.
Ściślejsze kontakty badawcze PSOP z grupą Solidi Roma nabrały tempa na przełomie roku
1974 i 1975, gdy na zaproszenie LNF w Frascati i CNR (Centro Nazionale delle Ricerche) A. Kisiel,
jako visiting profesor, wziął udział w badaniach mechanizmu anomalnie wysokiej absorpcji
atomowego wodoru w palladzie. Badania spektroskopowe własności układu Pd/H w dalekim
próżniowym nadfiolecie miały rozstrzygnąć o mechanizmie tego anomalnego pochłaniania.
Niestety, w trakcie badań 1,1 GeV synchrotron uległ nieodwracalnemu uszkodzeniu i został
zdemontowany. Cząstkowe rezultaty badań przerwanych awarią synchrotronu zostały zebrane
i opublikowane wspólnie z członkami grupy Solidi Roma w roku 1977 w artykułach [20,24,25].
Według zestawienia publikacji autorów afiliowanych w Polsce, sporządzonego przez Polskie
Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego (PTPS)10, była to pierwsze publikacje Polaka
z badań w zakresie fizyki ciała stałego przy użyciu promieniowania synchrotronowego.
Po awarii i likwidacji 1,1 GeV synchrotronu elektronowego w Frascati, grupa Solidi Roma
rozpoczęła natychmiast, jeszcze w roku 1975, intensywne prace nad wykorzystaniem
promieniowania synchrotronowego z 1,5 GeV elektronowego pierścienia kumulującego ADONE,
usytuowanego również w LNF i należącym do INFN. Rozpoczęto wówczas, budowę laboratorium
oraz projektowanie i konstrukcję kilku nowych linii pomiarowych wykorzystujących jako źródło
10 Strona internetowa Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego: www.synchrotron.org.pl
12
Fig. 6 Kopuła budynku pierścienia akumulacyjnego ADONE w Laboratori Nazionali di Frascati
światła promieniowanie synchrotronowe ADONE. Działania te koordynował prof. F. Bassani
w ramach powstałego wówczas programu użytkowania promieniowania synchrotronowego PULS
(Programma per l’Utilizazione della Luce di Sincrotrone). W realizację programu włączyła się
poszerzona grupa Solidi Roma. Do współpracy programowej zaproszono także współpracowników
z PSOP. Dyrekcja Instytutu Fizyki i administracja centralna UJ intensywnie wspierała wszelkie
zabiegi ZFO umożliwiające rozwój współpracy PSOP z grupą Solidi Roma. Starania te, opisane
Fig. 7 Pierścień kumulacyjny ADONE (widok z góry)
szczegółowiej w Kalendarium11, doprowadziły do zawarcia w roku 1979 umowy o współpracy
bezpośredniej normującej realną, wieloletnią, obustronną współpracę pomiędzy Instytutami Fizyki
11 Kalendarium aktywności Instytutu Fizyki I władz Uniwersytetu Jagiellońskiego w staraniach o dostęp
i o wykorzystywanie źródeł promieniowania synchrotronowego w pracach badawczych, Synchrotron Radiation
in Natural Science, Bulletin of the Polish Synchrotron Radiation Society, Vol. 12, No. 1-2, 56 – 62 (2013)
13
Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Rzymskiego I La Sapienza. Szczególne zasługi w tych
staraniach mieli prof. F. Bassani, kierujący grupą Solidi Roma i dyrektor Programu PULS oraz
profesorowie G. Chiarotti i A. Balzarotti. F. Bassani w czasie wizyty w Instytucie Fizyki UJ
w grudniu 1975 roku, na spotkaniu z Rektorem UJ prof. M. Karasiem zaproponował oficjalną
współpracę PSOP ZFO z programem PULS w Frascati. Chęć współpracy została oficjalnie
potwierdzona przez Rektora UJ zaraz po wyjeździe prof. F. Bassaniego, jeszcze w grudniu 1975
roku, stosownym listem intencyjnym do prezydenta INFN. W oparciu o te uzgodnienia,
z początkiem roku 1976 profesorowie F. Bassanii i G. Chiarotti wystąpili równocześnie, przez CNR
do Polskiej Akademii Nauk i przez Ministerstwo Szkolnictwa Wyższego Republiki Włoskiej do
Polskiego Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego i Nauki, o zawarcie porozumień o współpracy
Instytutu Fizyki UJ z programem PULS w zakresie badań naukowych z użyciem promieniowania
synchrotronowego. Podstawą porozumień o współpracy był program badań przygotowany w ZFO
w roku 1973. Przy dużej przychylności władz rektorskich obydwu uniwersytetów,
a w szczególności
Fig. 9 Prof. Mario Piacentini (od prawej) Adalberto Balzarotti z wizytą w ZFO
Prorektora UJ Prof. A. Gołębiewskiego, przez dwa lata poprzedzające podpisanie umowy
o współpracy bezpośredniej pomiędzy Uniwersytetem Rzymskim La Sapienza i Uniwersytetem
Jagiellońskim, trwała regularna wymiana współpracowników polskich i włoskich,
zapoczątkowująca blisko trzydziestoletnią ścisłą współpracę w programach zastosowania
promieniowania synchrotronowego w fizycznych i chemicznych badaniach naukowych.
W październiku 1979 r. została podpisana w Krakowie przez Rektorów Mieczysława Hessa
i Antonio Rubertiego formalna umowa o współpracy bezpośredniej pomiędzy uniwersytetami, która
przewidywała wspólne badania w fizyce ciała stałego Instytutów Fizyki obydwu uczelni w zakresie
użytkowania promieniowania synchrotronowego w ramach programu PULS. Odpowiedzialnymi za
14
poprawną realizację dołączonego w aneksie programu badań zostali Prof. F. Bassani oraz A. Kisiel.
Umowa ta, zawarta w celu realizacji bardzo specjalistycznie potraktowanych zadań badawczych
w fizyce ciała stałego, została w latach następnych rozszerzona na współpracę bezpośrednią obydwu
uniwersytetów w kilku innych dziedzinach naukowych.
W roku 1975, realizując cele naukowe PSOP, zapowiadane w projekcie współpracy z grupą
Solidi Roma, dotyczące prowadzenia komplementarnych badań całego obszaru fundamentalnego
odbicia półprzewodników, został zakupiony przez IF UJ 1-metrowy siatkowy monochromator
próżniowy firmy Hilger & Watts E766. Na bazie tego monochromatora został zbudowany
i uruchomiony dwuwiązkowy odbiciomierz na zakres próżniowego nadfioletu od 5 – 11 eV
z automatyczną rejestracją danych [37]. Z pomocą tego spektrometru przeprowadzono badania
wpływu temperatury na współczynniki absorpcji i odbicia dla CdF2 [44,57] oraz analizę
fundamentalnego odbicia dla monokryształów CdxHg1-xTe [56,63] i ZnTe [64]. W celu
udoskonalenia pomiarów fundamentalnego odbicia półprzewodników w zakresie energii 1,5 – 6 eV
Fig. 10 A. Rodzik przy dwuwiązkowym odbiciomierzu z automatyczną rejestracją danych
zbudowano w PSOP kilka wersji dwuwiązkowego odbiciomierza fotoelektrycznego
z automatyczną, fazoczułą rejestracją danych we współpracy on line z komputerem [80,104].
W tych odbiciomierzach wiązka światła monochromatycznego była dzielona na dwie części: jedna
z nich oświetlała badaną próbkę i odbita od niej padała na fotopowielacz mierzący jej natężenie,
druga część, jako wiązka odniesienia, za pomocą układu luster była kierowana wprost na drugi
fotopowielacz. W takim układzie był możliwy pomiar współczynnika odbicia (lub absorpcji),
z wyeliminowaniem efektów związanych z „podświetlaniem wiązką białą” badanych materiałów
oraz fluktuacji natężenia padającego światła. Budowane zestawy pomiarowe odznaczały się bardzo
wysoką czułością i dokładnością pomiaru, przewyższającą czułość i zdolność rozdzielczą
15
spektrometrów komercyjnych produkowanych przez renomowane firmy zagraniczne w latach
siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku. W latach 1977 – 1980 zostały podjęte próby
zwiększenia dokładności opisu struktury elektronowej badanych materiałów poprzez zastosowanie
metod modulacyjnych w badaniach spektroskopowych [35,49]. Jednakże ze względu na obecność
dodatkowych charakterystycznych efektów w widmach modulacyjnych, nie rozwijano dalej tej
metodyki i skierowano wszystkie wysiłki na uzyskanie jak najwyższej czułości i zdolności
rozdzielczej w bezpośrednim pomiarze odbicia światła.
Ze względu na bardzo silną zależność fundamentalnego odbicia od doskonałości struktury
krystalicznej badanych materiałów oraz stopnia czystości i chropowatości powierzchni próbek,
prowadzone badania mogły udzielać nie tylko podstawowych informacji o strukturze elektronowej
materiałów, ale również wiedzę o niedoskonałościach i naprężeniach wewnętrznych struktury
krystalicznej badanych materiałów a także o właściwościach powierzchni odbijającej. Tak więc
Fig. 10 Dyskusja naukowa A. Kisiela z prof. Adalberto Balzarotti’m
obok podstawowych badań struktury elektronowej pasm walencyjnego i przewodnictwa wielu
związków półprzewodnikowych, wymagających eliminacji efektów zaburzających poprawny
Turowskim i Martą Zimnal- Starnawską, w rozwoju badań uczestniczyli doktoranci: Barbara Oleś,
Katarzyna Karnicka-Mościcka, Marek Czyżyk, Józef Oleszkiewicz, Dorota Dębowska, Jacek
Goniakowski, Artur Hołda i Paweł Zajdel oraz spore grono magistrantów. Część doktorantów po
uzyskaniu stopni doktora została zatrudniona na etatach w ZFO12. Prowadzone badania dostarczały
szereg nowych i interesujących rezultatów. Szeroko zakrojone badania struktury elektronowej
półprzewodnikowych związków mieszanych CdxHg1-xTe zostały nagrodzone w roku 1978
zespołową nagrodą Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Techniki III stopnia13.
Fig.11 Seminarium w ZFO. Uczestniczą:pierwszy rząd: od lewej A. Kisiel i M. Czyżyk, Drugi rząd: M. Zimnal-Starnawska, A. Balzarotti i A. Czapla, trzeci rząd: E. Czarnecka-Such
i A. Rodzik
Marek Turowski po obronie doktorskiej w roku 1982 wyjechał na stypendium do Instytutu
Fizyki w Uniwersytecie Neymegen (Holandia) a następnie do Departamentu Fizyki Uniwersytetu
w Wisconcin (USA), gdzie pod kierunkiem prof. Giorgio Margaritondo brał udział w badaniach
fotoemisji elektronowej krzemu oraz heterozłączy na orientowanych monokryształach GaAs
z użyciem promieniowania synchrotronowego z synchrotronu w Wisconcin [96-102]. Niestety po
tym stażu naukowym zrezygnował z pracy w IF UJ i pozostał na stałe w USA.
Do właściwej interpretacji eksperymentalnych widm współczynników fundamentalnego
odbicia i pochłaniania światła niezbędne jest porównywanie ich z bardzo zaawansowanym opisem
teoretycznym struktury elektronowej półprzewodników. W związku z tym w PSOP zaistniała
potrzeba wykształcenia grupy teoretyków specjalizujących się w obliczeniach teoretycznych
12 M. Czyżyk, D. Dębowska i J. Oleszkiewicz 13 Nagrodę otrzymali A. Kisiel i A. Rodzik
17
dotyczących struktury elektronowej półprzewodników i metali. Korzystając z licznych dyskusji ze
współpracującymi z PSOP teoretykami prof. F. Bassanim i jego uczniem F. Casulą, współautorem
wspólnej teoretycznej publikacji z A. Kisielem na temat struktury elektronowej CdxHg1-xTe [31],
M. Podgórny a następnie M.T. Czyżyk rozpoczęli samodzielne teoretyczne obliczenia struktury
elektronowej CdTe i HgTe [53] oraz CdxHg1-xTe [45], a także analizy poprawek w opisie
potencjału miseczkowego stosowanego w obliczeniach struktury elektronowej [94]. W zadaniu
tworzenia w ZFO wyspecjalizowanej grupy teoretycznej szczególnie ważne wsparcie otrzymaliśmy
od prof. Joachima Treutscha, kierownika Katedry Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu
w Dortmundzie14. Prof. J. Treutsch, wybitny specjalista w badaniach teoretycznych struktury
elektronowej ciał stałych, dzięki swym wpływom, ułatwił uzyskanie rocznego stypendium
im. Aleksandra von Humboldta dla M. Czyżyka i dwuletniego stypendium dla M. Podgórnego oraz
przyjął bezpośrednią opiekę nad obydwoma stypendystami. M. Podgórny opublikował wspólnie ze
współpracownikami prof. M. Treuscha J. Pollmannem [121] i D. Wagnerem [122] bardzo cenne
rezultaty naukowe dotyczące obliczeń struktury elektronowej roztworów stałych SiGe oraz
Fig.12 Spotkanie towarzyskie w domu M.Zimnal-Starnawskiej. Od lewej Marek Podgórny, Marek Czyżyk, Francesco Antonangeli i Andrzej Kisiel
strukturalnych i magnetycznych przejść fazowych w stopach metali przejściowych. W wyniku
dalszych badań M. Podgórny opublikował kilka interesujących wyników teoretycznych [128,143 –
145] na temat magnetyzmu wędrownego w ciałach stałych. Publikacje te stanowiły podstawę
dysertacji habilitacyjnej wyjaśniającej, nierozwiązany od końca dziewiętnastego wieku, problem
14 Prof. J. Treutsch po objęciu stanowiska dyrektora Forschungszentrum w Julich został uhonorowany tytułem
doktora honoris causa Uniwersytetu Jagiellońskiego za wybitny wkład w teoretyczną fizykę ciała stałego
i organizowanie bardzo efektywnej międzynarodowej współpracy naukowej a w szczególności wspieranie
aktywne rozwoju wspólnych badań w fizyce jądrowej Forschungzentrum i Instytutu Fizyki Uniwersytetu
Jagiellońskiego.
18
bardzo niskiej rozszerzalności termicznej inwaru. Przyjazna pomoc i zaangażowanie
prof. J. Treuscha przy wykształceniu dojrzałych naukowo młodych teoretyków w ZFO owocowała
przez wiele lat. Z upływem czasu powstałą grupę teoretyczną wzmocnili: J. Goniakowski - doktorat
M. Podgórnego, współpracujący z nami R. Markowski, pracownik Zakładu Techniki
Komputerowej, oraz doktoranci ZFO J. Oleszkiewicz, A. Hołda i P. Zajdel, którzy opanowali
zaawansowane techniki obliczania struktury elektronowej półprzewodników.
W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku PSOP poniosła dotkliwe straty szczególnie
wśród kolegów teoretyków. Marek Podgórny bezpośrednio po habilitacji, oraz ściśle
współpracujący z ZFO Roman Markowski, zaraz po doktoracie, ulegli fascynacji niezwykłym
rozwojem informatyki w USA i wyjechali tam na wieloletnie kontrakty, z których już nie wrócili do
Polski. Marek Czyżyk, z podobnych motywów, pozostał na stałe w Holandii. Poniesiony uszczerbek
w gronie teoretyków w PSOP został częściowo uzupełniony przez Jerzego Koniora, wychowanka
Zakładu Fizyki Statystycznej IF UJ i adiunkta w Instytucie Fizyki Wyższej Szkoły Pedagogicznej
(obecnie Uniwersytetu) w Rzeszowie. Do roku 1989 głównym przedmiotem badań J. Koniora była
mikroskopowa teoria płynów prostych, a badania prowadził we współpracy z prof. Czesławem
Jędrzejkiem z IF UJ [140,164]. Jeszcze przed powrotem do IF UJ w 1989 roku J. Konior rozpoczął
badania teoretyczne w zakresie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego [150,192,209,212,228].
Badania te kontynuował m.in. podczas pobytu we Francji w Uniwersytecie Paris-Nord
[166,181,182,184,229] oraz we współpracy z doktorantem P. Piekarzem [271,277]. Za wkład w do
teorii układów silnie skorelowanych i nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego został
nagrodzony Nagrodą Ministra Edukacji Narodowej15 Niedługo po zatrudnieniu w ZFO ukończył
rozprawę habilitacyjną [238] i włączył się aktywnie do prowadzonych w PSOP teoretycznych
badań struktury elektronowej półprzewodników [230]. Wspólnie z eksperymentatorami
interpretował wyniki doświadczalne fundamentalnego odbicia oraz absorpcyjnej spektroskopii
rentgenowskiej XANES i EXAFS [219,233,244,283,287,288]. Poniesione straty personalne
kompensowało również nawiązanie kilkuletniej współpracy „na odległość” z dr P.M. Lee
teoretykiem z Uniwersytetu w Lancaster, dawnym współpracownikiem A. Kisiela. Dzięki
rozwojowi internetu współpraca ta zaowocowała wieloma wspólnymi publikacjami
Po zawarciu umowy o współpracy bezpośredniej pomiędzy Uniwersytetami Jagiellońskim
i Rzymskim w roku 1979, otworzyły się przed PSOP zupełnie nowe możliwości eksperymentalne.
Na wiązce promieniowania synchrotronowego z pierścienia kumulującego ADONE w Frascati była
15 Wspólnie z A.M. Olesiem i J. Dutką
19
na ukończeniu budowa czterech linii: absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej (XAS) w zakresie
energii 2 – 6 keV – zwana linią PULS, linii rentgenowskiej PWA (Progetto Wiggler Adone) na
twardsze promieniowanie rentgenowskie w zakresie energii 4,5 – do 25 keV, linii spektroskopii
optycznej w próżniowym nadfiolecie od 6 do 30 eV oraz linii spektroskopii fotoelektronowej
(PES). Jako pierwsza, została uruchomiona w roku 1979 linia PULS w zakresie energii 2 – 6 keV
a linia PWA była na ukończeniu. Obydwie linie miały służyć do badań lokalnej struktury kryształów
EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) i do analizy struktury przykrawędziowej
krawędzi rentgenowskich XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure), umożliwiającej
badanie struktury elektronowej pasma przewodnictwa ciał stałych. Również na linii pomiarowej do
badań optycznych w próżniowym nadfiolecie trwały ostatnie prace nad jej uruchomieniem. W tej
tak bardzo korzystnej sytuacji, podjęto decyzję o wykorzystaniu do badań materiałów
półprzewodnikowych najpierw dwu wymienionych linii rentgenowskich a następnie linii optycznej
na zakres próżniowego nadfioletu. Zgłoszony przez nas projekt dotyczący analizy struktury
krystalicznej w półprzewodnikowych związkach potrójnych Cd1-xMnxTe dla różnej zawartości Mn
z zastosowaniem metody EXAFS (Extented X-ray Absorption Fine Structure) został zaakceptowany
i wszedł do realizacji w roku 1980. Podjęty program badawczy był nowy i bardzo atrakcyjny
naukowo również ze względu na oczekiwaną możliwość łączenia w związkach CdMnTe własności
materiałów półprzewodnikowych i magnetycznych. Stwarzało to zapowiedź bardzo obiecujących
aplikacji tego typu związków, nazywanych półprzewodnikami półmagnetycznymi lub bardziej
Fig. 8 A. Kisiel (tyłem) i Adolfo Savoya przy optycznej linni pomiarowej PULS w ADONE (1980)
poprawnie półprzewodnikami z rozcieńczonym magnetyzmem. Były one badane w PSOP metodą
fundamentalnego odbicia w zakresie energii promieniowania widzialnego i bliskiego nadfioletu.
Instytut Fizyki PAN w Warszawie wytwarzał wysokiej jakości monokryształy tych związków oraz
20
prowadził bardzo szeroki front badań własności strukturalnych, elektrycznych i magnetycznych.
Nasza propozycja przeprowadzenia komplementarnych badań własności optycznych w szerokim
zakresie energii światła służących poznaniu struktury elektronowej oraz opisania lokalnej struktury
krystalicznej przy użyciu analizy EXAFS, dostępnej tylko z zastosowaniem promieniowania
synchrotronowego, została przyjęta z zadowoleniem zarówno w Instytucie Fizyki PAN jak
i w programie PULS. Eksperymentalna analiza EXAFS wykonana przez grupę włosko-polską16 na
próbkach Cd1-xMnxTe, została zaprezentowana w trakcie International Conference on EXAFS and
Near Edge Structure we Frascati we wrześniu 1982, a następnie w październiku tego roku, jako
komunikat na Zjeździe Włoskiego Towarzystwa Fizycznego w Perugii [71]. Pewnej dozy
adrenaliny dostarczyła świadomość, że na konferencji w Frascati amerykanie J.C. Mikkelsen
i J.B. Boyce zaprezentowali bardzo podobne wyniki doświadczalne dla potrójnych związków
półprzewodnikowych In1-xGaxSb. W obydwu przypadkach brak było odpowiedniej interpretacji
odkrytych, ale niezupełnie zrozumiałych cech badanych materiałów. Aby możliwie szybko znaleźć
właściwe wyjaśnienie przeprowadzonego eksperymentu zespół polsko-włoski został wzmocniony
przez M. Podgórnego i M. Czyżyka, kończących właśnie staże teoretyczne w Dortmundzie. Ich
pomysłowość i przygotowanie teoretyczne spowodowały przełom w interpretacji wyników
Fig. 13 Grill na działce Marty Zimnal-Starnawskiej z udziałem włoskich współpracowników prof. M. Piacentini’ego i Roberto Francini’ego.
16 W składzie F. Antonangeli, A. Balzarotti, N. Motta, M. Piacentini, A. Kisiel, M. Zimnal-Starnawska,
A. Mycielski i W. Giriat
21
doświadczalnych. Grupa amerykańska opublikowała wyniki badań w the Physical Review w roku
1983, jednakże z interpretacją budzącą poważne wątpliwości17. Nasze wyniki doświadczalne
opublikowaliśmy w tym samym czasopiśmie, kilka miesięcy później, z poprawnym modelowym
opisem lokalnej struktury krystalicznej [86,87,109]. Wprowadzony przez nas model, później
nazwany w literaturze modelem sztywnych kationów, wszedł na trwałe do analizy struktury lokalnej
związków potrójnych o strukturze sfalerytu. Wspólnie z grupą włoską przeprowadziliśmy badania
jeszcze dla kilku innych związków potrójnych stosując z powodzeniem ten model w interpretacji
wyników [71,77,86-89,105-111,113-116]. Wyniki te zostały zauważone nie tylko w światowej
literaturze specjalistycznej. Polscy członkowie zespołu zostali wyróżnieni Zespołową Nagrodą
Ministra II stopnia (1986)18 a ponadto A. Kisiel otrzymał w roku 1989 Nagrodę Sekretarza
Naukowego PAN19.
Uruchomienie drugiej linii rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej PWA na zakres
energii 4 – 25 keV znacznie poszerzyło zakres badań struktury lokalnej w związkach
półprzewodnikowych. Analiza XANES i spektroskopia emisji fotoelektronowej (PES) mogą być
metodami komplementarnymi do analizy fundamentalnego odbicia ciał stałych. Fundamentalne
odbicie światła dostarcza głównie informacji o splocie gęstości stanów pasm walencyjnego
i przewodnictwa (funkcja łącznej gęstości stanów). Spektroskopia emisji fotoelektronowej i analiza
XANES dostarczają informacji odpowiednio o gęstości stanów pasma walencyjnego i pasma
przewodnictwa. Mając możliwości badania fundamentalnego odbicia światła i równocześnie szeroki
dostęp do analizy XANES można było znacznie wzbogacić wiedzę o strukturze elektronowej
półprzewodników.
W roku 1983 PSOP uzyskała dostęp do synchrotronowej optycznej linii pomiarowej
w zakresie próżniowego nadfioletu (6 – 25 eV). W wyniku tego powstała w programie PULS
pierwsza praca polsko-włoska na temat analizy przejść rdzeniowych ze stanów d w fundamentalnym
odbiciu monokrystalicznych związków ZnTe, CdTe i HgTe, która ukazała się w roku 1986
[117,119,]. Zapoczątkowała ona wieloletnią owocną polsko-włoską współpracę w zakresie
spektroskopii optycznej półprzewodników, w której widmo fundamentalnego odbicia
półprzewodników i metali było mierzone w Krakowie w zakresie 1,5 – 6 eV, a w zakresie od 6 – 30
eV na linii optycznej z użyciem promieniowania synchrotronowego z pierścienia kumulującego
17 J.C. Mikkelsen i J.B. Boyce, Phys. Rev., B28,7130 (1983) 18 Nagrodzeni zostali M. Czyżyk, A. Kisiel, M. Podgórny i M. Zimnal-Starnawska 19 Nagroda za kierowanie zespołem i udział w pracy pt. „Badanie struktury lokalnej i własności
termodynamicznych roztworów stałych typu A1-xBxC o uporządkowaniu tetraedrycznym”
22
ADONE we Frascati[135,137,188,193,197,199,200,203,205,206,208,215,218,222,224,225,236,240,
250]. Teoretyczną interpretację wyników doświadczalnych opracowywali koledzy z grupy
teoretycznej PSOP.
Współpraca pomiędzy ZFO i programami PULS oraz PWA trwały nieprzerwanie aż do roku
1994, gdy zakończył pracę pierścień kumulujący ADONE. Zebrana, w ostatnich miesiącach przed
zakończeniem pracy ADONE, bardzo duża liczba wyników doświadczalnych dotyczących widm
współczynnika odbicia światła w zakresie energii od 6 – 25 eV oraz krawędzi rentgenowskich
(analiza XANES) dla szeregu monokryształów związków potrójnych, siarczków i selenków cynku
z wszystkimi metalami przejściowymi, przygotowanych i dostarczonych głównie przez W. Giriata,
były opracowywane przez nas jeszcze przez kilka lat po zamknięciu i demontażu ADONE. Po
zakończeniu pracy ADONE współpraca ZFO z wyżej wymienionymi uniwersytetami włoskimi
weszła w nową fazę. Uprzednio zawarte umowy o współpracy bezpośredniej zostały wykorzystane
do wspólnych badań, w zakresie modulacyjnej analizy fotoakustycznej [239,261] i emisji
fotoelektronowej dla binarnych i potrójnych związków półprzewodnikowych z żelazem
[221,226,235]. Badania emisji fotoelektronowej zostały wykonane we współpracy trójstronnej
z Winsconsin Synchrotron Radiation Centre (USA). W tym okresie były również kontynuowane
badania rentgenowskie metodą XANES korzystając z pierścienia kumulującego BESSY I w Berlinie
[227,241] i nowo powstałego pierścienia kumulującego ELETTRA w Trieście .
Bilansem doskonałe układającej się przez wiele lat współpracy z grupą Solidi Roma
i z programami PULS oraz PWA były znaczące wyniki badawcze w zakresie opisanej powyżej
rentgenowskiej analizy EXAFS i XANES, a także liczne rezultaty eksperymentalne w zakresie
spektroskopii optycznej od bliskiej podczerwieni do zakresu dalekiego próżniowego nadfioletu.
Wyniki te poparte naszymi zaawansowanymi obliczeniami teoretycznymi dostarczyły ważnych
informacji o strukturze elektronowej pasm walencyjnego i przewodnictwa wielu badanych
podwójnych i potrójnych związków półprzewodnikowych oraz związków potrójnych z metalami
przejściowymi. Bezpośrednim rezultatem współpracy było ponad 80 publikacji w czasopismach
o cyrkulacji międzynarodowej i czynny udział w wielu konferencjach międzynarodowych.
Od roku 1995 w hali po zdemontowanym pierścieniu kumulującym ADONE powstawał
w LNF nowy zderzacz (colider) elektronowo-pozytronowy DAΦNE o energii elektronów
i pozytronów 0,7 GeV i unikalnie silnym prądzie elektronów i pozytronów poruszających się
w pierścieniu przeciwbieżnie. Wyprowadzane z tego pierścienia promieniowanie synchrotronowe
ma kilkakrotnie wyższe natężenie w porównaniu z innymi pierścieniami kumulującymi.
Charakterystyka spektralna promieniowania synchrotronowego z DAΦNE, umożliwiła budowę linii
pomiarowej do badań absorpcyjnej i emisyjnej spektroskopii rentgenowskiej w zakresie energii od
23
1,5 - 4 keV oraz linię spektroskopii optycznej w zakresie dalekiej podczerwieni począwszy od
energii kilkudziesięciu cm-1 (FIR). W tym obszarze widmowym są obserwowane wzbudzenia
fononowe charakterystyczne dla krystalicznej struktury lokalnej ciał stałych. Z tego względu
wyniki analizy wzbudzeń fononowych mogą być konfrontowane z wynikami badań struktury
lokalnej kryształów przy użyciu analizy EXAFS. Prowadzona w PSOP we współpracy
z dr. V. Robouchem z LNF we Frascati analiza wyników EXAFS wykazała preferencje obsadzeń
jonów w potrójnych i poczwórnych roztworach związków półprzewodnikowych [244,257,265,
269,280,287,288]. Podobne preferencje obsadzeń zostały zidentyfikowane w prowadzonych przez
PSOP badaniach natężeń częstotliwości drgań fononowych w badanych związkach
półprzewodnikowych [279,284,285]. Obydwie te możliwości eksperymentalne linii pomiarowych
były wykorzystywane z powodzeniem przez zespół pracowników ZFO w ramach wcześniej
zawartych umów o współpracy bezpośredniej z Uniwersytetami Rzymskimi La Sapienza i Tor
Vergata oraz w oparciu o posiadane przez LNF porozumienia z Unią Europejską o współpracy
naukowej. Ta ostatnia forma finansowania badań była wykorzystywana do roku 2010 nie tylko
przez pracowników Instytutu Fizyki UJ, ale również przez kilka innych polskich grup badawczych.
W drugiej połowie lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia została zapoczątkowana również
współpraca naukowa z Wilnem i Kijowem na bazie zawartych umów o współpracy bezpośredniej
Fig. 14 Wizyta w Instytucie Radiofizycznym Uniwersytetu Kijowskiego od lewej E.V. Buzaneva, A. Rodzik i E. Czarnecka Such
pomiędzy Uniwersytetami Jagiellońskim, Wileńskim i Kijowskim. Wizyty prof. J.K.Viscakasa
i A. Żyndulisa z Uniwersytetu Wileńskiego oraz prof. W.J. Potykiewicza z Uniwersytetu
Kijowskiego zaowocowały wspólnymi publikacjami [27,62]. Po przerwie natury politycznej,
w latach dziewięćdziesiątych ożywiły się kontakty naukowe z Instytutem Fizyki Uniwersytetu
Kijowskiego oraz zostały nawiązane kontakty naukowe z prof. V.I. Strikhą i H. Pieką oraz
z dr. P.W. Żukowskim z Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Mińsku. Wynikiem współpracy
A. Rodzika i E. Czarneckiej-Such na temat fizyko-chemicznych własności powierzchni CdMnTe
24
oraz własności dielektrycznych i optycznych Si implantowanego jonami były publikacje
[185,187,191, 194,207,211].
Ze względu na wspólne z PSOP zainteresowania badaniami z użyciem promieniowania
synchrotronowego w roku 1996 dołączył do ZFO Marek Stankiewicz i utworzył Pracownię
Spektroskopii Molekularnej (PSM). Przedmiotem jego badań były procesy i mechanizmy relaksacji
prostych drobin tzn. badania fotodysocjacji molekularnej, foto-fragmentacji, fotoemisji elektronowej
molekuł i fotojonizacji przy użyciu promieniowania synchrotronowego z synchrotronu w Daresbury
(Wielka Brytania) i synchrotronu MAX III (Szwecja). Rezultaty tych badań zostały opublikowane
w [246-249,251-256,270,272-276]. M. Stankiewicz wykorzystał do badań fotodysocjacji drobin
posiadany w ZFO 1-metrowy monochromator próżniowy Hilger&Watts oraz laser Nd/YAG z 2 i 3
harmoniczną. Na bazie tych urządzeń został zbudowany analizator czasu przelotu z detektorem
mikrokanalikowym i wielokanałowym przetwornikiem czas/cyfra o wysokiej zdolności rozdzielczej
oraz komputerową akwizycją danych doświadczalnych. W budowie i badaniach uczestniczył
doktorant Piotr Winiarczyk i magistranci.
Wraz z coraz bardziej intensywnym rozwojem badań z użyciem promieniowania synchrotronowego
w latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia, fizycy i chemicy oraz współpracujący z nimi lekarze
i biologowie zaczęli wyrażać potrzebę integracji polskiego środowiska naukowego, pracującego
przy różnych źródłach promieniowania synchrotronowego. Wychodząc naprzeciw temu
zapotrzebowaniu PSOP ZFO prowadząca intensywne badania z użyciem promieniowania
synchrotronowego w zakresie absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej i spektroskopii optycznej
półprzewodników, podjęła się wspólnie z Instytutem Fizyki PAN w Warszawie organizacji
pierwszego Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego.
W lutym 1991 roku z inicjatywy i staraniem profesorów Juliana Auleytnera oraz Andrzeja
Kisiela, odbyło się w Uniwersytecie Jagiellońskim, w pałacyku Szyszko-Bohusza I Krajowe
Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego. Na Sympozjum wygłoszono
25 piętnastominutowych komunikatów z badań prowadzonych przez polskich badaczy przy użyciu
promieniowania synchrotronowego. Uczestnicy Sympozjum zadeklarowali chęć utworzenia
25
Fig.15 Wspólna herbata w PSOP, na zdjęciu (od lewej) Wojciech Kwiatek, Piotr Winiarczyk,
Andrzej Kisiel, Ewa Czarnecka-Such, Bogusława Popiołek, (częściowo widoczny) Piotr Klocek, Marek Stankiewicz, Marta Starnawska, Jerzy Konior i Romuald Samson i Agnieszka Banaś
Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego (PTPS). Wśród 28 członków
założycieli było dwunastu z Instytutu Fizyki i Chemii UJ, w tym osiem osób z PSOP ZFO.
Pozostali reprezentowali Instytut Fizyki PAN w Warszawie, Uniwersytet Warszawski i kilka
innych ośrodków. W maju 1991 r. Towarzystwo zostało zarejestrowane z siedzibą w Instytucie
Fizyki UJ i rozpoczęło działalność integracyjną i edukacyjną powstającego środowiska naukowego
poprzez organizację międzynarodowych szkół i sympozjów. PSOP ZFO włączyło się bardzo
aktywnie do działalności w PTPS organizując Drugie Krajowe Sympozjum Użytkowników
Promieniowania Synchrotronowego w Mogilanach (1993) i Czwarte Krajowe Sympozjum
w Domu Polonijnym Uniwersytetu Jagiellońskiego w Przegorzałach (1997) oraz uczestniczyło
czynnie we wszystkich inicjatywach PTPS. Szczegóły tej działalności zostało przedstawione
w Kalendarium starań Instytutu Fizyki (notka 13) oraz Kalendarium starań Polskiego Towarzystwa
Promieniowania Synchrotronowego o dostęp do europejskich źródeł promieniowania
synchrotronowego20.
20 A. Kisiel, Kalendarium starań Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego w latach 1991 –
2002 o dostęp do europejskich źródeł promieniowania synchrotronowego, Synchrotron Radiation in Natural
Science, Bulletin of the Polish Synchrotron Radiation Society, Vol. 12, No. 1-2, 63 - 66 (2013)
26
Fig. 16 Uczestnicy 1-szej Międzynarodowej Szkoły i Sympozjum Promieniowania Synchrotronowego
w Naukach Przyrodniczych (1992). W pierwszym rzędzie stoją profesorowie B. Orłowski, Izabela Sosnowska,
A. Kisiel, Julian Auleitner, Giorgio Margaritondo ze współpracowniczką oraz Krystyna Ławniczak- Jabłońska.
Po przejściu na emeryturę A. Kisiela w roku 2002, ZFO został rozwiązany a pozostały
personel Zakładu włączony do Zakładu Fizyki Doświadczalnej, z którego ZFO wyodrębnił się
w roku 1970. Za działalność naukową, dydaktyczną i organizacyjną w IF UJ A. Kisiel otrzymał
kilka odznaczeń21. W trzydziestodwuletniej działalności naukowej Zakładu Fizyki Ogólnej były
prowadzone intensywne badania naukowe w niełatwej eksperymentalnie spektroskopii
rentgenowskiej, spektroskopii fotoemisji elektronowej, spektroskopii fononowej i spektroskopii
molekularnej. Uzyskane wyniki badań były zauważane przez specjalistów. Opublikowano blisko
300 artykułów i komunikatów w większości w czasopismach o cyrkulacji międzynarodowej.
W ZFO doktoryzowało się 15 asystentów i doktorantów22 a 4 osoby habilitowały się23. Szereg prac
doktorskich zostało nagrodzonych Nagrodami Indywidualnymi III stopnia Ministra Nauki,
Szkolnictwa Wyższego i Techniki. W chwili rozwiązania ZFO liczył 9 pracowników: dwu
doktorów habilitowanych J. Koniora i M. Stankiewicza, czterech starszych wykładowców:
R. Kloch, B. Pukowską, J. Szczeklika i M. Zimnal-Starnawską, dwu samodzielnych fizyków:
E. Czarnecką-Such i J. Olejniczaka oraz starszego elektronika R. Samsona. Doktorzy habilitowani
21 Złoty Krzyż Zasługi (1973), Medal Komisji Edukacji Narodowej (1979), Krzyż Kawalerski Orderu
Odrodzenia Polski (1983) i Krzyż Oficerski Orderu Odrodzenia Polski (2001) 22 Maria Soszka (1974), Roma Kloch (1978), Marek Podgórny (1978), Barbara Oleś (1979), Barbara Pukowska
(1979), Marta Zimnal –Starnawska (1980), Katarzyna Karnicka-Mościcka (1981), Andrzej Rodzik (1981),
Marek Turowski (1982), Józef Oleszkiewicz (1985), Dorota Dębowska (1992), Jacek Goniakowski (1995), Artur
Hołda (1998), Paweł Zajdel (2003), Agnieszka Banaś (2004) 23 Zofia Leś (1977), Marek Podgórny (1991), Jerzy Konior (1998), Marek Stankiewicz (1998)
27
J. Konior i M. Stankiewicz otrzymali tytuły profesora w roku 2009. Prof. J. Konior należy obecnie
do Zakładu Nanostruktur i Nanotechnologii a prof. M. Stankiewicz jest dyrektorem Narodowego
Centrum Promieniowania Elektromagnetycznego do Celów Badawczych, w którym aktualnie jest
budowany pierwszy polski synchrotron jako źródło promieniowania synchrotronowego. Budowane
źródło promieniowania synchrotronowego jest wielką szansą i jednocześnie wyzwaniem dla
przyszłych użytkowników promieniowania synchrotronowego w Polsce.
Po rozwiązaniu ZFO niektórzy pracownicy przeniesieni do ZFD kontynuowali działalność
naukową rozwijaną w PSOP. J. Konior24 prowadził badania teoretyczne analizy XANES dla
struktury elektronowej siarki w siarczkach metali przejściowych i w komórkach rakowych prostaty
a B. Pukowska25 analizowała metodami spektroskopii optycznej dyfuzję defektów w związkach
CdHgTe i wpływ oczyszczania wodorem na fundamentalne odbicie światła CdTe. M. Zimnal-
Starnawska w roku 2008 uczestniczyła w serii badań XANES na linii rentgenowskiej zderzacza
elektronowo pozytronowego DAFNE w Frascati.
Autorzy opracowania dziękują doc. Zofii Leś i dr Romie Kloch za korektę i uzupełnienia
rozdziału dotyczącego działalności naukowej Pracowni Spektroskopii Interferencyjnej.
4. Spis publikacji Zakładu Fizyki Ogólnej (1970 – 2002)
1970
24 J. Konior, A. Kisiel, Statistical models of the local structure in ternary and quaternary zinc blende structures,